【背景介紹】

隨著可穿戴電子設(shè)備的迅猛發(fā)展，柔性壓力傳感器由于其在運(yùn)動(dòng)檢測、生物醫(yī)學(xué)監(jiān)測和人機(jī)交互等方面的潛在應(yīng)用而備受關(guān)注。壓力傳感器通常根據(jù)工作機(jī)理的不同分為四種類型：壓電型、電容型、摩擦型和壓阻型。在這些不同種類的傳感類型中，壓阻傳感器可以將施加的壓力轉(zhuǎn)換為電流或電阻的變化，并且已經(jīng)得到了深入的研究。壓阻傳感器顯示出各種優(yōu)勢，例如靈敏度高、響應(yīng)速度快、制造工藝簡單、能耗低等。微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，例如多孔結(jié)構(gòu)、空心球微結(jié)構(gòu)、微金字塔陣列、斷裂微結(jié)構(gòu)和互鎖微結(jié)構(gòu)，通常被認(rèn)為是制造壓力傳感器的有效策略。然而，大多數(shù)微結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)制造過程都是昂貴且復(fù)雜的。因此，低成本、大規(guī)模制備靈敏壓力傳感器仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。

【成果簡介】

? ? ? ?近日，華中科技大學(xué)劉逆霜教授課題組報(bào)道了一種通過簡單有效的浸涂工藝方法制造的MXene海綿，并以絕緣聚乙烯醇（PVA）納米線為間隔物，將其應(yīng)用于壓阻傳感器?；贛Xene海綿的傳感器在寬壓力范圍內(nèi)具有高靈敏度，最低檢測極限為9 Pa，響應(yīng)時(shí)間為138毫秒，在10,000次循環(huán)中具有出色的耐久性。MXene海綿傳感器可以實(shí)時(shí)監(jiān)控人體生理信號(hào)（例如呼吸、關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)和脈搏）。還探討了傳感器在測量壓力分布和人機(jī)交互方面的潛在應(yīng)用。

? ?該成果在線發(fā)表于Nano Energy：3D hybrid porous MXene-sponge network and its application in piezoresistive sensor。

【圖文導(dǎo)讀】

圖1：a）MXene海綿的制造過程示意圖。?b，c）基于MXene-Sponge /PVA NWs的傳感器的制造示意圖。

圖2??MXene海綿的微觀結(jié)構(gòu)模型及其FIB-SEM中動(dòng)態(tài)過程的原位SEM圖像。a）MXene海綿傳感器的壓力感測模型，顯示出具有壓縮變形的纖維網(wǎng)絡(luò)的接觸面積變化。b-f）MXene海綿的各種SEM圖像，分別為原始狀態(tài)、壓縮狀態(tài)為?30％、壓縮狀態(tài)為?45％、釋放狀態(tài)為?35％后、完全釋放后。比例尺為200μm。g-k）分別對(duì)應(yīng)于b-f的MXene海綿的各種放大SEM圖像。比例尺為100 μm。

圖3??MXene海綿和基于MSP的傳感器的傳感性能。a）實(shí)驗(yàn)裝置的示意圖。b）在相同的壓力下，不同濃度的MXene（0.5 mg / ml，1 mg / ml和2 mg / ml）的MXene海綿傳感器的I-T曲線。c）濃度為1 mg / mlMXene的基于MSP的傳感器的I-V曲線。d）MSP設(shè)備在各種施加壓力下的I-T曲線。e）基于MXene海綿和MSP的傳感器的靈敏度，在5.37 kPa內(nèi)具有147 kPa-1的高靈敏度，在較大壓力區(qū)域具有442 kPa-1的高靈敏度。f）MSP設(shè)備的響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間。g）壓力傳感器在裝卸10,000次后的穩(wěn)定性能。h）10,000次裝卸后，靈敏度仍保持其原始值的90％以上。i）I-T和P-T曲線之間的相互關(guān)系。

圖4?使用MSP傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)控微小壓力、人體生理狀況和氣球大小變化。b）脈搏測試c）彎曲d）手指觸碰。?e）附著在喉嚨肌肉上的設(shè)備的變化。?f）當(dāng)以各種壓力吹氣時(shí)，裝有MSP傳感器的氣球的尺寸變化。

圖5??a）MSP傳感器與植入藍(lán)牙系統(tǒng)的電路串聯(lián)，該電路將電流信號(hào)傳輸?shù)绞謾C(jī)。b）檢測分布在像素傳感器陣列上的各種輕量物體。

【本文總結(jié)】

通過簡單有效的浸涂工藝方法制造了MXene海綿，并將其應(yīng)用于在以絕緣PVA NW為間隔物的壓電電阻傳感器中。這種基于MSP的傳感器在較寬的壓力范圍內(nèi)具有很高的靈敏度（對(duì)于小于5.37 kPa的區(qū)域?yàn)?47 kPa-1，對(duì)于5.37-18.56 kPa的區(qū)域?yàn)?42 kPa-1），9 Pa的低檢測限，快速的響應(yīng)時(shí)間和在10,000次循環(huán)中具有出色的耐久性?；谠O(shè)備的上述良好性能，還研究了其在監(jiān)測健康活動(dòng)和測量壓力分布方面的潛在應(yīng)用。

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